嵌入式多媒體播放器的設計與實現

1、引言

　　隨著音頻解碼技術、存儲器技術、MP3高質量壓縮技術等相關技術不斷的發展以及人們對消費電子產品需求的增加,MP3新產品層出不窮,成為時尚潮流前沿的一個最佳載體。人們可以用它休閑娛樂 ,也可以用它工作和學習。設計一款性價比優良的MP3 播放器具有實際的應用價值[1]。隨著 C語言的發展和嵌入式系統技術的推廣 ,在嵌入式系統低端應用中 ,存在著大量的小型嵌入式應用系統。MP3 播放器的設計 ,就是典型的嵌入式系統應用。MP3具有最基本的播放、選曲、音量控制、音效控制功能。當連接到計算機的 USB接口時，MP3變成 U盤，可以向 U盤復制文件，文件包括 MP3歌曲文件和普通文件 [2,3]。系統的功能結構圖如圖 1所示：?

　　2、系統設計相關技術

　　2.1 MP3文件格式 [4]

　　MP3 文件是由幀(frame)構成的，幀是 MP3文件最小的組成單位。MP3的全稱應為 MPEG1 Layer-3音頻文件，MPEG(Moving Picture Experts Group)在漢語中譯為活動圖像專家組，特指活動影音壓縮標準，MPEG 音頻文件是 MPEG1標準中的聲音部分，也叫 MPEG音頻層，它根據壓縮質量和編碼復雜程度劃分為三層，即 Layer-1、Layer2、Layer3，且分別對應MP1、MP2、MP3這三種聲音文件，并根據不同的用途，使用不同層次的編碼。MPEG音頻編碼的層次越高，編碼器越復雜，壓縮率也越高，MP1和 MP2的壓縮率分別為4：1 和 6：1-8：1，而 MP3的壓縮率則高達10：1-12：1，也就是說，一分鐘 CD音質的音樂，未經壓縮需要 10MB的存儲空間，而經過 MP3壓縮編碼后只有 1MB左右。

　　MP3文件大體分為三部分：TAG_V2(ID3V2)，Frame, TAG_V1(ID3V1)。ID3是一個標記MPEG的標準，具體的講，這些標記是用來指明歌曲的作者、演唱者，年月、所屬專輯等信息，這樣，播放器在播放時可以讀出并顯示這些信息。

　　每個 FRAME都有一個幀頭FRAMEHEADER，長度是4BYTE（32bit）,幀頭后面可能有兩個字節的CRC校驗，這兩個字節的是否存在決定于 FRAMEHEADER信息的第 16bit，為0則幀頭后面無校驗，為 1則有校驗, 校驗值長度為 2個字節，緊跟在 FRAMEHEADER后面，接著就是幀的實體數據了，格式如下：

　　3、硬件設計

　　（1）、硬件方案選擇 本設計選用 ATMEL公司的 AT89C51SND1C芯片作為 MP3播放器的主控制器。主控制器的選定其實也取決于 MP3方案的選定。

　　從技術角度上說，MP3播放器有多種實現方案，其中分類方法也較多，這里僅從 MP3解碼方式和硬件類型方面進行分類，大體可分為：（1）分離芯片的 MP3播放器；（2）集成 MP3功能單片機的 MP3播放器；（3）定制 ASIC電路的 MP3播放器；（4）采用 FPGA實現MP3播放器；（5）混合 MCU/DSP器件播放器。

　經過各種資料的搜索和比較，最后總結出三種有代表性的 MP3方案。如表 2所示：

　　由上表的分析結果及本設計的實際情況,最后選定了方案1,方案內容如下: AT89C51SND1C:CPU+解碼器+USB控制器；CS4330A：D/A轉換；任意雙路運算放大芯片： 音頻放大；K9F5608：32M Flash存儲器；最后選定了集成 MP3解碼器的 MP3播放器方案，選擇了 AT89C51SND1C作為主控制器。

　　（2）、AT89C51SND1C簡介 [5-6]

　　AT89C51SND1C是ATMEL公司推出的基于8位C51 MCU內核的MP3解碼器芯片。它內置 MP3硬件解碼器和 USB控制器，支持 48、44.1、32、24、22.05及 16KHZ采樣頻率，具有重低音、中音、高音均衡控制和重低音環繞聲效果。 它可以適應市場上不同 DAC的可編程的音頻輸出接口，兼容 PCM格式和 I 2S格式。內置 2304BRAM和 64KB Flash程序空間，方便用戶增加復雜的功能，并提供 MP3音頻時鐘及 USB時鐘。

　　（3）、硬件系統結構圖(詳見圖 2)

　　4、軟件設計

　　4.1、系統流程圖

　　①、系統主框架圖：???????

　　②、MP3音頻解碼系統實現過程：

　　③、MP3播放過程流程圖：

　　③、人機交互流程圖見圖6：

?　　4.2、功能定義

　　利用 Flash存儲器技術、MP3音頻解碼技術、USB接口技術、定時/計數器中斷等技術，實現如下的幾大主要功能：（一）、讀取 MP3音頻文件；（二）、解碼 MP3音頻文件；（三）、播放解碼后的 MP3歌曲文件；（四）、實現人機交互接口。(五)、U盤的讀寫。

　　4.3、AT89C51SND1C初始化 [8-9]

　　播放 MP3文件時，首先需要對主控制器 AT89C51SND1C進行以下幾方面的初始化設置。如圖 7所示。

　　（1）鎖相環初始化，MP3解碼器、USB控制器和音頻輸出接口使用的都是內部鎖相環提供的時鐘。程序設計如下：

　　void PllInit(void) { if (FirstStart)

　　{AUXR1 = 0xf2;?? //這兩個寄存器的值在用 Start Application和直接上電時

　　??????????? //不一樣,前一種情況下 MP3解碼器才工作,

　　PLLCON = 0;? //這里強制將其置為與用 Start Application按鈕時一致

　　FirstStart = 0; }? //PLLCON:鎖相環控制寄存器；鎖相環時鐘及 MP3解碼器時鐘設置

　　CKCON |= X2;? //0000 0001使能 X2模式,增加處理速度,

　　??????? //每個機器周期變成 6個振蕩周期即 3個時鐘周期 PLLCON &= (~PLLRES);? //使能 PLL PLLCON |= PLLEN;}

　　（2）MP3解碼器的初始化，即對 MP3CON（MP3控制寄存器）和 MP3CLK（MP3時鐘除法器寄存器）進行設置。程序設計如下： //MP3時鐘頻率的計算方法：MP3CLK=PLLCLK/(int)(MPCD+1)負反饋

　　MP3CLK|=MPCD;? MP3CON &= (~MSKREQ); //允許產生MP3中斷 MP3CON |= MPEN;?????? //使能 MP3解碼器.

　　（3）音頻輸出接口初始化，要得到兩個聲道串行數據前，需要先對音頻輸出接口的AUDCON0（音頻接口控制寄存器0）和 AUDCON1（音頻接口控制寄存器1）中的相關部分進行正確的設置。程序設計如下：

　　void PllInit(void)

　　{ if (FirstStart)

　　{AUXR1 = 0xf2; //這兩個寄存器的值在用Start Application 和直接上電時

　　//不一樣,前一種情況下MP3 解碼器才工作,

　　PLLCON = 0; //這里強制將其置為與用Start Application 按鈕時一致

　　FirstStart = 0; } //PLLCON:鎖相環控制寄存器；鎖相環時鐘及MP3 解碼器時鐘設置

　　CKCON |= X2; //0000 0001 使能X2 模式,增加處理速度,

　　//每個機器周期變成6 個振蕩周期即3 個時鐘周期

　　PLLCON &= (~PLLRES); //使能 PLL

　　PLLCON |= PLLEN;}

　（2）MP3 解碼器的初始化，即對MP3CON（MP3 控制寄存器）和MP3CLK（MP3 時鐘除法器

　　寄存器）進行設置。程序設計如下：

　　//MP3 時鐘頻率的計算方法：MP3CLK=PLLCLK/(int)(MPCD+1)負反饋

　　MP3CLK|=MPCD;

　　MP3CON &= (~MSKREQ); //允許產生MP3 中斷

　　MP3CON |= MPEN; //使能MP3 解碼器.

　　（3）音頻輸出接口初始化，要得到兩個聲道串行數據前，需要先對音頻輸出接口的

　　AUDCON0（音頻接口控制寄存器0）和AUDCON1（音頻接口控制寄存器1）中的相關部分進行

　　正確的設置。程序設計如下：

　　void AudioInit()

　　{ unsigned char i = 10;

　　AUDCON0 = 0x77; //0111 0110

　　AUDCON1&=(~0xB0); //SRC=0,MSREQ=0,MUDRN=0

　　AUDCON1 |= 0x01;

　　while (i)i--;

　　AUDCON1 |= 0x40;}

　　（4）按鍵初始化，實現播放MP3 的人機交互功能。

　　void KeyBoardInit()

?　　{ P1 = 0x0f; //將端口1 的低四位,即鍵盤對應的4 位置1

　　KBCON = 0x00; //設置鍵盤有效模式為低電平有效,并使能

　　IEN1 = IEN1 | EKB; } //使能鍵盤中斷Enable KeyBoard Interrupt

　　5、總結

　　嵌入式系統是專用的計算機系統，軟硬件的設計必須協同和嚴格規范。本設計的硬件系統圍繞著 AT89C51SND1C主控芯片進行規范設計與調試。軟件設計則必須以硬件系統為前提以功能定義為要求進行設計現調試。嵌入式系統硬件的定制，程序的設計必須多次的調試與完善。比如，硬件電路無法正常工作，必須分析原因、調試；開發環境相關軟件無法正常安裝，必須排除各種錯誤，直到成功搭建開發環境；程序編譯出現錯誤，必須利用調試功能找出錯誤并修改代碼等等[10]。

　　嵌入式系統是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式便攜多媒體播放器是嵌入式系統技術的一個典型應用。嵌入式便攜多媒體播放器未來的發展方向將會呈現出多樣化、多功能化、普遍化的變化。